Une équipe d'ingénieurs basée à l'Université de l'Illinois a découvert que le modèle actuellement utilisé pour prédire les pertes de chaleur dans un matériau semi-conducteur commun ne s'applique pas dans toutes les situations. En testant les propriétés thermiques des semi-conducteurs au nitrure de gallium fabriqués à l'aide de quatre méthodes courantes, l'équipe a découvert que certaines techniques produisent des matériaux plus performants que d'autres. Cette nouvelle compréhension peut aider les fabricants de puces à trouver des moyens de mieux diffuser la chaleur qui endommage les appareils et réduit leur durée de vie.

Les puces de silicium sont poussées à leur limite pour répondre aux exigences des appareils électroniques d'aujourd'hui. Nitrure de gallium, un autre matériau semi-conducteur, est mieux adapté à une utilisation dans des applications haute tension et haute intensité comme celles nécessaires aux téléphones 5G, appareils « internet des objets », robotique et véhicules autonomes. Les puces au nitrure de gallium sont déjà utilisées, mais il n'y a pas d'études systématiques qui examinent les propriétés thermiques des différentes formes du matériau, les chercheurs ont dit. Leurs conclusions sont publiées dans le Journal de physique appliquée .

Les copeaux de nitrure de gallium sont produits en déposant de la vapeur de nitrure de gallium sur une surface où elle cristallise en un solide, les chercheurs ont dit.

"La composition et la structure atomique de la surface utilisée pour faire croître les cristaux influencent le nombre de défauts dans le produit final, " dit Can Bayram, professeur de génie électrique et informatique et auteur principal de l'étude. "Par exemple, les cristaux cultivés sur des surfaces de silicium produisent un semi-conducteur avec de nombreux défauts, entraînant une conductivité thermique plus faible et des points chauds plus chauds, car les structures atomiques du silicium et du nitrure de gallium sont très différentes.

L'équipe a testé la conductivité thermique du nitrure de gallium cultivé en utilisant les quatre techniques de fabrication les plus importantes sur le plan technologique :l'épitaxie en phase vapeur d'hydrure, haute pression de nitrure, dépôt en phase vapeur sur saphir et dépôt en phase vapeur sur silicium.

Pour comprendre comment les différentes techniques de fabrication influencent les propriétés thermiques du nitrure de gallium, l'équipe a mesuré la conductivité thermique, la densité des défauts et la concentration d'impuretés de chaque matériau.

« En utilisant nos nouvelles données, nous avons pu développer un modèle qui décrit comment les défauts affectent les propriétés thermiques des semi-conducteurs en nitrure de gallium, " Bayram a déclaré. "Ce modèle fournit un moyen d'estimer la conductivité thermique des échantillons indirectement en utilisant les données de défaut, ce qui est plus facile que de mesurer directement la conductivité thermique."

L'équipe a découvert que le silicium, la plus économique de toutes les surfaces utilisées pour la croissance du nitrure de gallium, produit des cristaux avec la densité de défauts la plus élevée des quatre méthodes de fabrication courantes. Le dépôt sur le saphir fait un meilleur cristal avec une conductivité thermique plus élevée et une densité de défauts plus faible, mais cette méthode est loin d'être aussi économique. Les techniques d'épitaxie à la vapeur d'hydrure et de haute pression de nitrure produisent des produits supérieurs en termes de propriétés thermiques et de densité de défauts, mais les procédés sont très coûteux, dit Bayram.

Les puces à base de nitrure de gallium qui utilisent des cristaux cultivés sur du silicium sont probablement adéquates pour le marché de l'électronique grand public, où le coût et l'abordabilité sont essentiels, il a dit. Cependant, les appareils de qualité militaire qui nécessitent une meilleure fiabilité bénéficieront de puces fabriquées à l'aide des processus les plus coûteux.

"Nous essayons de créer un système plus efficace afin que nous puissions tirer le meilleur parti de nos appareils, peut-être un qui peut durer 50 ans au lieu de cinq, " Bayram a déclaré. "Comprendre comment la chaleur se dissipe nous permettra de reconcevoir les systèmes pour qu'ils soient plus résistants aux points chauds. Ce travail, entièrement joué à l'U. of I., pose les bases de la gestion thermique des dispositifs semi-conducteurs technologiquement importants à base de nitrure de gallium."